干粉煤气化激冷气系统试验及优化改造

张水合

(河南能化鹤壁煤化工有限公司，河南 鹤壁 458000)



干粉煤气化激冷气系统试验及优化改造

张水合

(河南能化鹤壁煤化工有限公司，河南 鹤壁 458000)

河南能化鹤壁煤化工有限公司60万t/a甲醇项目，采用壳牌干粉煤气化工艺，为国内已投运的单炉能力最大的粉煤气化装置。装置于2013年投料生产，运行期间由于气化炉合成气冷却器“十字架”积灰造成气化炉负荷低、运行周期短等问题。为解决气化炉积灰问题，提高装置负荷，进行激冷气系统多条件试验及优化改造，缓解了合成气冷却器的积灰问题，改造实施后，达到了预期效果。

气化炉；激冷气；试验；改造

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.013

河南能化鹤壁煤化工有限公司气化装置采用干粉煤气化工艺，气化炉生产能力为：设计投煤2 800t/d，有效合成气产量165 000 Nm3/h(H2+CO)，气化装置工艺流程包括煤粉制备、加压给料、气化及合成气冷却、粗煤气净化、灰水处理、公用工程和火炬系统等。

气化炉为立式压力容器，炉内为水冷壁组成的气化室，煤气化烧嘴位于气化室中下部，4个烧嘴2个1组对称布置。由煤气化烧嘴喷入的煤粉、氧气、蒸汽的混合物在1 500℃高温下，瞬间完成煤的气化反应，生成(CO+H2)含量高且带有飞灰的粗合成气，由下向上从气化炉顶经循环气激冷段进入合成气冷却器。为防止飞灰黏结在后续设备，在气化炉反应段出口处均匀喷入循环返回的200℃低温激冷气，将合成气激冷至750℃左右，使高温合成气快速降温，合成气中的液态飞灰冷却成无黏性固态，从而防止后系统合成气冷却器堵塞和超温。

1 鹤壁气化炉激冷气系统改造前情况

激冷气压缩机(K1301)是煤气化装置的关键设备，来自干法除灰装置(S1501)和湿洗装置(C1601)后的清洁无尘气体混合后(温度为200℃)，经激冷气压缩机加压后送往气化炉激冷段激冷合成气。

该公司气化装置(K1301)压缩机原工艺设计正常运行时，激冷气量为56.2kg/s，设计值59kg/s，最大为73kg/s，激冷后的合成气温度降为750℃。

在项目建设阶段，公司采购德国FIMA公司生产的压缩机，最大压缩气量为78kg/s，为设计正常气量的139%，配套电机1 800kW，配套变频器2 000kW。K1301压缩气量为83kg/s，激冷后的合成气温度为700℃，气化负荷在80%上下运行，最大时达到88%，在该负荷时，激冷后的合成气温度仍不能使飞灰充分冷却固化，多次造成合成气冷却器“十字架”积灰停车处理。每次停车清灰短则7天，长则10天左右，严重影响了装置的高负荷、长周期运行。由于装置不能稳定正常运行，2014年全年生产甲醇30万t，仅完成设计能力的50%，2015年全年生产甲醇42万t。

正常激冷后的合成气温度为灰融点温度的2/3，从激冷口到合成气冷却器入口时，合成气温度会下降150℃左右。当激冷气温度过高或者激冷量不足时，激冷后的合成气温度接近灰融点，飞灰虽然已经固化，但没有失去黏性，到达合成气返回室转向时就会黏附在合成气冷却器十字架或管壁上，形成结垢，长时间运行会造成结垢层越来越厚，堵塞水冷管间隙，使合成气流通面积变小。由于K1301压缩气量不足，激冷后的合成气温度高，气化负荷在80%左右运行较为正常，在80%以上负荷时，激冷后的合成气温度不能使飞灰充分冷却固化，造成合成气冷却器“十字架”积灰停车处理。针对系统激冷气量不足的情况，对系统进行了一系列改造。

2 激冷气多种条件试验

激冷气多种条件试验见表1(整个过程负荷基本在80%左右 )。

表1 激冷气多种条件试验

2015年6月1日至6日，全部使用湿合成气进行激冷，K1301振值升高，分析原因为湿合成气导致K1301叶轮结垢，造成了压缩机振值升高，因此恢复压缩机入口合成气至原设计比例。

6月7日至11日，在K1301出口远端加入了激冷蒸汽，加入量6t/h，蒸汽温度310℃，压力4.9MPa(g)，合成气冷却器入口压差开始上涨。分析原因为因激冷气中加入蒸汽，合成气经过激冷后，有凝结水产生，凝结水与合成气中灰分反应，生成类似于硅酸钙类的物质黏结在合成气冷却器入口，导致合成气冷却器入口压差上涨。

6月11日至6月23日，二氧化碳输送煤粉工况改为氮气输送煤粉后，压差开始下降，恢复正常，此现象与之前一致。

通过本次实验发现，无论是全部采用U1600出来的湿合成气激冷，还是在合成气中加入蒸汽进行激冷，均不能达到理想的结果。

3 在K1301出口端加入高压二氧化碳

2016年1月，随着气化炉负荷逐步升高，气化炉对激冷气量的需求增加，但激冷气压缩机K1301已经满载，无法保证激冷气量的供应，气化炉十字架温度13TI0019突破680℃时，根据原煤特性，温度超过680℃时，灰的黏度增加，长时间积累会造成气化炉合成气冷却器严重积灰，系统急需增加激冷气量。

从CO2压缩机出来的超高压CO2，经放空阀30XV0008引至激冷气压缩机K1301出口，有效增加气化炉激冷气量。通过此项改造，激冷气量较原来增加约3kg/s，气化炉十字架温度由680℃降为670℃，缓解了合成气冷却器积灰的现象。二氧化碳作为激冷气示意见图1。

图1 二氧化碳作为激冷气示意(虚线为增加管线)

4 激冷气压缩机K1301改造

4.1 压缩机本体改造

2015年3月，在不改变电机的情况下，西安交大赛尔利用其三元流技术对K1301的叶轮和静叶片的设计及加气和抽气的流道进行了改进，提高压缩机效率，改造后的压缩机的激冷气量提高5%。

4.2 对电机实施强制降温

2016年4月，气化炉负荷达到93%，此负荷下K1301电机温度超过110℃，对液氮采用安全措施后，由空分液氮泵出口处引一液氮管线至激冷气压缩机K1301电机外，用液氮自然蒸发后的冷量对激冷气压缩机K1301电机进行强制降温。本着既保证液氮雾化时不浪费，又保证激冷气压缩机K1301电机温度明显下降的原则，制订了相应的操作方案。

通过液氮蒸发的冷量对激冷气压缩机K1301电机强制降温，避免了K1301长时间高温运行对电机寿命造成的影响，同时提高激冷气量，为气化炉长周期、高负荷运行提供了有利条件。本次改造实施后，K1301电机运行效果良好，压缩气量提升至100kg/s，气化炉负荷由原来的93%提高至100%，实现了气化炉的满负荷运行。

5 新激冷气压缩机K1302的应用

5.1 技改实施的必要性分析

该公司经过对K1301的多项改造，气化炉负荷提升至100%运行，但K1301已经在超负荷状态下工作，存在严重的安全隐患，因此，增加1台新的激冷气压缩机是很有必要的。

针对气化炉存在的问题，经气化专利商计算后，建议新增压缩机扩能后的激冷气量为93.84kg/s，为原始设计的166%。

考虑到煤质波动和气化炉的不同操作工况，结合技改前气化炉80%负荷下相对稳定运行的工况，激冷气量已达83kg/s，在激冷比不变的情况下，拟新增压缩机激冷气量正常为100kg/s，为气化专利商原始设计的178%，最大量为112kg/s。

5.2 新增激冷气压缩机(K1302)设备选型

5.2.1 国外压缩机分析

干粉煤气化技术引进后，由于配套激冷气压缩机压缩气量大、合成气进口温度高、进出压缩机压力高、国内配套制造经验不足等，已建类似煤气化项目所选激冷气压缩机均为进口设备。

干粉煤气化装置配套的激冷气压缩机的国外制造商有美国ELLIOTT、瑞典ATLAS.COPCO、德国FIMA、西门子等厂家。这些制造商均为国际上著名的离心式压缩机制造商，为客户提供各种非标的气体输送和压缩装备。

压缩机按照API相关标准进行设计，满足连续不间断运行3年的设计要求。压缩机设计为符合API617要求的悬臂式结构，叶轮直接与齿轮箱高速轴连接，这种设计使得备件数量、检维修工作量最小。在正常操作条件下，压缩机的效率达到了80.8%。

5.2.2 国内压缩机分析

激冷气压缩机组是粉煤气化装置的关键设备，随着干粉煤气化装置的运行，激冷气压缩机能力普遍偏小的问题逐渐暴露出来。迫于生产负荷受限，采购的国外压缩机制造周期长、费用高，作为国内压缩机制造的龙头企业，沈阳鼓风机集团先后为河南开祥、云天化、山西潞安等十几家用户研制了单悬臂循环气压缩机，满足了气化装置激冷气压缩机压力等级高、介质为混合气体、含有毒有害和强腐蚀成分、对叶轮材料、气密性、耐磨性有较高要求等诸多条件。

国内此类型机组的研制成功，主要性能和关键技术指标达到了国际先进水平，该产品已生产有10余台套，已投产的此类压缩机最大的能力为75kg/s。本项目选购的压缩机最大能力为112kg/s，放大风险已经降低。

沈鼓对整套设备的报价，比采购国外进口设备大约节约800余万元人民币，且设备交付周期比国外少6个月。经过多方权衡，最终选择国产压缩机。

5.3 新增压缩机结构特点及相关参数

新增压缩机K1302激冷气量正常为100kg/s，最大量为112kg/s，配套电机3 000kW。机型为SV12-M，离心式压缩机，单级悬臂结构。电机和压缩机采用公用底座，机组单层布置：①数量为1台套；②驱动方式为电机驱动；③流量调节为变转速调节，防喘振阀调节；④轴端密封形式为串联式+中间迷宫干气密封。

新增激冷气压缩机产品规格及主要参数见表2，介质组分见表3。

表2 新增激冷气压缩机产品规格及主要参数

表3 介质组分

5.4 K1302投用后的效果

K1302投入使用后，气化炉运行负荷100%，K1302激冷合成气流量维持在100kg/s，13TI0019温度可控制在650℃左右，保证了气化炉合成气飞灰由液态冷却成固态，气化炉合成气冷却器压差平稳。在外界环境10℃左右情况下，K1302电机电流155A，电机温度70℃左右，远在额定电流190A、高报温度140℃以下，还有一定的提升空间，且消除了K1301运行时存在的安全隐患，为煤气化装置的长周期、稳定运行创造了条件。新增压缩机前后工况对比见表4。

表4 新增压缩机前后工况的对比

由表4可见，新循环气压缩机投入使用后，气化炉负荷可以提高至100%运行，且气化炉“十字架”合成气温度13TI0019可以控制在650℃以下，各项工艺指标均在正常范围内。技改实施后，较之前氮气输送煤粉气化80%负荷，甲醇日产量增加了400多t，实现了装置的日产1 818t产能，最高日产量达1 846t的目标，有效降低了系统运行的各项成本，增加了装置的经济效益。

[1]张水合.大投煤量壳牌气化炉流场优化改选[J].化肥设计，2017，55(1):52-55.

[2]赵艳玲，苏洪洋.烧嘴罩瑟烧嘴头泄露导致壳牌气化炉停车的过程分析与预防措施[J].化肥设计，2013，51(5)：38-40.

修改稿日期： 2017-03-28

Test and Optimization of Dry Gasification and Gasification

ZHANG Shui-he

(HenanNenghaHebiCoalChemicalIndustryCo.，Ltd.，HenanHebi458000，China)

The 600 000 t / a methanol project of Henan Nengha Hebi Coal Chemical Co.，Ltd. adopted Shell dry pulverized coal gasification process，which was the largest pulverized coal gasification unit that had been put into operation in China. The installation of the device was put into production in 2013. During the operation，problems bubbled like low gasifier load，short operating cycle and other issues due to the dust deposit of gasifier synthesis gas cooler "cross". In order to solve the problem of gasification furnace dust deposit and increase the load of the gasifier，the multi-condition test and optimization of the cooling air system are carried out to alleviate the fouling problem of the synthesis gas cooler. The expected effect was achieved after the transformation and implementation.

gasifier；cool air；test；transformation

张水合(1966年—)，男，河南禹州人，1986年7月毕业于郑州大学化学系，工程师，2015年—2016年任鹤壁煤电股份有限公司化工分公司总经理，负责鹤壁煤电年产60万吨甲醇工程的生产经营工作，现任河南能化鹤壁煤化工有限公司董事长。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.013

TQ545

B

1004-8901(2017)03-0048-04